细胞分化

细胞分化特点分化是稳定的变化分化之前先有决定分化与细胞核核的作用细胞核的全能性分化与细胞质分化中的核质相互关系分化与细胞间的相互作用诱导作用抑制作用分化的基因表达━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━同一来源的细胞逐渐发生各自特有的形态结构、生理功能和生化特征的过程。其结果是在空间上细胞之间出现差异，在时间上同一细胞和它以前的状态有所不同。细胞分化是从化学分化到形态、功能分化的过程。例如脊椎动物背部肌肉细胞是从胚胎的体节细胞分化而来的。在发育早期,所有体节细胞的外形和生化性质都一样。在较晚的时期,某些体节细胞伸长成梭形和胚胎的纵轴平行排列。这时在这些细胞中已经可以检测到肌细胞特有的可收缩的蛋白质。而后，这些细胞相互融合,继续伸长,内部由纤细的肌原纤维组成肌纤维。肌原纤维具有规则的疏密相间的构造，在一条肌纤维中，由于所有肌原纤维上的相同的区域都排列一致,因而显示横纹。随着肌细胞内的收缩蛋白质大量产生，背部肌肉开始对神经刺激发生反应,出现缓慢的收缩,表现出最初的功能活动。体节细胞除分化为肌肉细胞外，还分化形成软骨、骨骼、皮肤真皮层的结缔组织等。这些细胞不仅位置不同，而且各具特有的形态结构、生理功能和生化特征。多细胞有机体的发育大多数是从受精卵开始。动物的受精卵经过卵裂，形成囊胚。这一时期的发育主要是细胞数量的增加。在这以后，胚胎细胞才经过一系列形态发生运动，形成内、中、外3个胚层,进而分化产生各种组织和器官。从分子水平看，细胞分化意味着各种细胞内合成了不同的专一蛋白质（如水晶体细胞合成晶体蛋白，红细胞合成血红蛋白，肌细胞合成肌动蛋白和肌球蛋白等），而专一蛋白质的合成是通过细胞内一定基因在一定的时期的选择性表达实现的。因此，基因调控是细胞分化的核心问题。特点分化是稳定的变化正常情况下，细胞分化是稳定、不可逆的。一旦细胞受到某种刺激发生变化，开始向某一方向分化后,即使引起变化的刺激不再存在,分化仍能进行，并可通过细胞分裂不断继续下去。这种变化不同于各种生理活动，如激素刺激等所引起的细胞变化，后者在刺激作用消失以后，细胞又将恢复到原来的状况。分化之前先有决定胚胎细胞在显示特有的形态结构、生理功能和生化特征之前，需要经历一个称作决定的阶段。在这一阶段中，细胞虽然还没有显示出特定的形态特征，但是内部已经发生了向这一方向分化的特定变化。例如，果蝇的器官芽是幼虫中一些还没有分化但已经决定分化方向的细胞团。在变态时它们产生腿、翅膀、触角等。每一器官芽的发育方向都已决定，而且这种决定是稳定的、可遗传的。这种器官芽如果移植到成虫腹腔内会继续维持未分化的状态；但如果移植到正要变态的幼虫的适当部位就能被诱发分化；甚至在成虫腹腔内连续移植长达9年(大约经过1800次细胞分裂)之后,再移植到正要变态的幼虫体内，它们仍能各自按已决定的构造方向分化（见同源异形突变型）。细胞决定的早晚,因动物及组织的不同而有差异,但一般情况下都是渐进的过程。例如，在两栖类，把神经胚早期的体节从正常部位移植到同一胚胎的腹部还可改变分化的方向，不形成肌肉而形成肾管及红细胞等。但是到神经胚晚期移植体节，就不能改变体节分化的方向。可见，这时期体节的分化已稳定地决定了。分化与细胞核核的作用有一些事实说明，在细胞分化中，细胞核起决定作用。伞藻（一种单细胞海生绿藻）的移核实验就是一例。它的细胞有明显的分化。由假根、柄和顶帽3部分组成,核位于分枝的假根中。不同种的伞藻的顶帽，形状各异，如地中海伞藻和锯齿伞藻顶帽形状不同，前者如伞形，后者呈菊花形。如果把这两种伞藻的顶帽都切除，然后把地中海伞藻的柄部嫁接到锯齿伞藻的具有细胞核的假根上，最初形成的顶帽是中间类型的。但如果再将这中间类型的藻柄切下，嫁接到另一锯齿藻的假根上,这次形成的顶帽就是锯齿伞藻的。相反,将锯齿伞藻的藻柄嫁接到地中海伞藻的假根上也得到相同的结果，即顶帽的性质由假根决定。如果将两种带核的伞藻细胞嫁接在一起，嫁接个体的顶帽则是中间类型的。虽然顶帽的形态是由细胞核决定，但是，核的影响并不是立即表现的。如果在发育的较早时期去核，几个星期以后能够形成正常顶帽；如果将细胞分割为二，一半有核,一半无核,以后两半都能形成完整的顶帽。这些观察说明,形成顶帽的信息,在顶帽形成以前很久就从细胞核传递给细胞质了；在细胞质中这种信息可以不立即表达。很可能是由细胞核产生出惰性的信使核糖核酸(mRNA)事先释放到细胞质内，它可以在细胞质中存在相当长的时间而不被翻译。细胞核的全能性一般认为细胞核内含有该种生物的全套遗传信息。在条件具备时，它可使所在细胞发育分化为由各种类型细胞所组成的完整个体。如将胡萝卜根的韧皮部小块在含有椰乳的培养基中培养，这些在正常情况下不分裂的细胞会长成组织团块，脱落下来的游离细胞能形成幼芽。更直接的证据是从培养的烟草，髓部小块形成的组织团块上取脱落的细胞，单个分离培养能得到有根和叶的幼芽，再移植到土壤中，会长出开花的植物。即从单个植物体细胞长出了整棵植物，证明体细胞的核具有全能性（见潜能）。在动物中，情况比较复杂，可以和上述植物实验相比的是细胞核移植的工作。核移植是将一个细胞的核放进另一个事先已经去掉细胞核（或者用紫外线照射将核杀死）的未受精的卵中。这样既排除了母体细胞核的影响，又因移植的细胞核多是双倍体，为正常发育提供了条件。在两栖类，把囊胚期和早期原肠胚的细胞核移植到卵子内能使卵子正常发育，说明它们是全能的。移植晚期原肠胚或者再晚时期的核，正常发育的百分率就明显下降,除少数外,往往在原肠胚以前就夭折了。移植爪蟾蝌蚪肠上皮细胞的核也会有一部分发育到蝌蚪。用其他一些成体的细胞，如经过培养的角化表皮细胞和淋巴细胞的核也都能得到一些能游泳的蝌蚪。尽管接受移植核的许多卵子中只有一部分能正常发育，但至少说明这部分核中仍然含有形成神经、血液、肌肉、骨骼以及其他蝌蚪组织所需要的基因，它们还是全能的。晚期的外源细胞核移植到去核卵后，卵发育能力有所减小。除去技术上的原因外，还可能是由于移植的胚胎晚期或成体组织的细胞核内染色体的复制速度，同卵子细胞质中的情况不相配合，造成染色体畸变所致。分化与细胞质其间关系可以从卵质谈起。如马副蛔虫受精后的第1次卵裂是中纬裂,也就是把卵子分成上下两个裂球，在进行第2次卵裂的时候，上方裂球中的染色体发生断裂，只有中部的碎片排列在纺锤体上，将来分配到两个子细胞，两端的加粗的染色体部分则脱落在细胞质中，以后退化。下方的裂球以通常的方式进行分裂，每一子细胞都分配到完整的染色体。第3次卵裂的时候,下方裂球之一重复进行染色体消减的过程，而另一个则不消减。后者分裂形成的两个细胞仍然有一个发生消减，其结果只有一个细胞含有完整的染色体。这就是原始生殖细胞。所有经过染色体消减的细胞都发育为体细胞。在以后的发育中原始生殖细胞继续增殖而产生成体的生殖细胞。因此，只有生殖细胞含有全套的染色体。离心实验指出，染色体消减是由核周围的细胞质决定的。在卵裂开始以前，使卵受离心作用，如果纺锤体移位90°，两个裂球便由一上一下变为一左一右，而且两个裂球都含有“植物极细胞质”。这样在下一次卵裂时，两个裂球的染色体都不消减。这样的卵分裂到4细胞时期,动植物极各有两个裂球，植物极的两个裂球在下次分裂时染色体维持原状，而动物极的两个则发生染色体消减。离心实验改变了卵裂的方式，也改变了发生染色体消减的情况,说明“植物极的细胞质”的存在,使这些细胞的染色体维持原状，并决定了它们形成生殖细胞的命运。马副蛔虫卵裂过程中把这种细胞质逐渐局限到某个裂球，使这个裂球得以保留全套染色体（见生殖质）。许多动物卵子细胞质的分布有明显的区域性。这种区域性虽然不影响染色体的行为，但对于以后胚胎器官发育却有决定性作用。软体动物角贝的卵子可以区分3层细胞质:动物极和植物极各有一层清澈的细胞质,在这两层之间是一层较宽的颗粒性细胞质，它组成卵子的主要部分。在卵裂开始的时候，植物极清澈的细胞质层形成圆球形的突出部分，称为极叶和一个裂球相连，在第1次卵裂结束的时候它又缩回，和这个裂球融合为一。因此这个裂球（CD裂球）包含所有3层细胞质,而另外一个裂球（AB裂球）只包含动物极清澈的细胞质层和颗粒层。第2次卵裂开始的时候，CD裂球再次形成极叶，在4细胞时期,极叶仍只和一个裂球(D裂球)相连。这样,4个裂球在细胞质的组成上是不均等的,只有D裂球包含了所有极叶的物质。这4个裂球在以后的发育分化中命运也不一样。如果在4细胞时期，将裂球分离培养,只有包含极叶的裂球可以发育为一个完整的虽然较小的担轮幼虫；另外3个则只能发育为缺少中胚层结构的、有缺陷的幼虫。如果在第1或者第2次卵裂期将极叶切除,虽然卵子包含动物极的和颗粒性的细胞质，而且也包含应有的细胞核，但因为缺少极叶的物质，也只能发育为一个缺少中胚层结构的、有缺陷的幼虫。这就清楚地证明，是极叶中包含的细胞质而不是细胞核，决定裂球能独特地分化出中胚层结构。中国胚胎学家童第周等利用核移植的技术，也证实了卵质在性状发生中的作用。他们把金鱼囊胚期细胞核移到去核的鳑鲏鱼卵子中；虽然发育到幼鱼的例子极少，但是发育的过程都比较正常,一些基本的发育的特点,如胚胎的背腹性，对称性以及早期的卵裂进程等都和鳑鲏鱼一样，幼鱼的体形也和鳑鲏鱼的幼鱼没有区别。这些性状的出现似乎完全根据细胞质。细胞质对细胞核的作用，还表现在对核功能活动的影响。爪蟾不同时期的卵,其细胞核的活动情况不同:正在生长的卵母细胞，核合成RNA而不合成DNA；成熟中的卵母细胞核中的染色质浓缩，将进行减数分裂；受精卵由于准备卵裂,核中进行DNA合成。如果把成体不再进行分裂的脑细胞的核注射到以上各期的去核卵细胞内，细胞核首先在体积上迅速增大，功能活动的变化也十分显著;活动的情况则因卵细胞的发育时期而不同:在正在生长的卵母细胞里,合成RNA；在成熟中的卵母细胞里，移植核内染色质浓缩；在受精卵里,合成DNA。移植核的功能活动和各时期卵细胞原来的细胞核的活动情况是一致的。细胞质对细胞核功能活动的影响，在分化了的细胞中也可看到。如培养的人宫颈上皮癌细胞──HeLa细胞──的DNA和RNA合成都很活跃;鸡的红细胞虽然有核,但是处于不活跃状态，不进行DNA合成，RNA合成也很微弱。用细胞融合的方法，使去掉细胞核的HeLa细胞的细胞质和鸡的红细胞融合，便可使后者的细胞核体积增大，浓缩的染色质变得松散，原来已经失去的合成RNA和DNA的功能在寄主HeLa细胞质的影响下，重新恢复了。鸡红细胞核合成的RNA最初分散在细胞核内,过2、3天当核仁出现以后，即迁移到细胞质,并可以在HeLa细胞中表达,合成出鸡的血红蛋白。分化中的核质相互关系任何细胞的细胞核和细胞质在功能上都是一个统一的整体，在发育和分化中也不例外。例如在美西螈中有一种突变体，含有隐性致死基因“o”。杂合体“+/o”是正常的,纯合体“o/o”才出现异常。纯合体雄性不育，睾丸发育不全，精子发生只能到达精原细胞，纯合体雌性产生的卵子虽然能够受精并正常卵裂,但是,在原肠形成开始以后发育受阻，一般只能到达新月胚孔期，随即死亡。少数能够发育到原肠形成阶段，但是进一步的分化就停顿了。这种不正常发育和精子基因型无关。假如雄性是杂合体。精子有可能携带正常基因“+”或致死基因“o”,纯合体雌体(o/o)的卵子和这两种精子分别受精后发育受阻的情况完全相同，这说明异常发育不是由于受精后基因的组合所致，而完全是由于卵质的缺陷。这种卵质的缺陷又是卵子发生过程中受母体基因影响的结果。如果给受精卵或者刚开始卵裂的卵子注射正常成熟卵子的细胞质，只要占到卵体积的1～5％，就可以使大多数胚胎完成原肠形成。有时还可以产生游泳的幼虫。由此可见，胚胎的夭折是由于纯合体的卵子细胞质中缺乏了正常细胞质所具有的某种有效物质。特别值得注意的是，如果注射卵核未破裂的卵母细胞的细胞质，几乎没有任何效果，而卵母细胞的核液却含有高浓度的有效物质，0.2～0.5％就有效。显然，这种物质是存在于细胞核内的，当卵母细胞核的核膜破裂，核液和细胞质相混的时候,才进到细胞质里,细胞质才获得使胚胎正常发育的作用。已经知道，这种有效物